典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能研究①

李 勇

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著社會(huì)的科技發(fā)展和城市人口的與日俱增，人們對于城市的容積量有了更高的要求，發(fā)達(dá)國家甚至提出了“空中城市”的概念。若想落實(shí)這一理念，必須要加大對結(jié)構(gòu)高度和高強(qiáng)材料的分析，從多個(gè)角度研究超高層建筑在空中的受力情況，從而設(shè)計(jì)出有效的控制荷載，確保結(jié)構(gòu)安全和居住的舒適性[1,2]。

在受力方面，超高層建筑與普通建筑有很大的不同，研究它的橫風(fēng)向氣動(dòng)性能對于建設(shè)抗風(fēng)性建筑有關(guān)鍵性意義，國內(nèi)外的風(fēng)工程學(xué)家也致力于此方面的研究，不斷提出新的思路和想法，在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上做了大量風(fēng)洞試驗(yàn)。超高層建筑橫向風(fēng)向的氣動(dòng)性能十分復(fù)雜，依靠多種機(jī)理形成，與順風(fēng)向氣動(dòng)性能有很大的不同，橫風(fēng)向氣動(dòng)性能不能依靠常規(guī)理論分析流速，只能通過實(shí)驗(yàn)分析，因此氣動(dòng)性能分析是建設(shè)高層建筑的基礎(chǔ)工作[3]。

目前依舊沒有成熟的方法分析截面超高層建筑橫向風(fēng)向氣動(dòng)性能[4]。在上述背景下研究典型截面超高層建筑橫向風(fēng)向氣動(dòng)性能，該研究對于以后建筑超高層建筑有一定的幫助。

1 典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力的確定

確定典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力可以通過氣動(dòng)彈性響應(yīng)反演、剛性模型表面風(fēng)壓積分測量和高頻動(dòng)態(tài)天平測力三個(gè)步驟進(jìn)行研究[5]。

如圖1所示，確定典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力是通過輸入、處理和輸出三步完成的，啟動(dòng)彈性響應(yīng)反演可以檢測出超高層建筑典型截面各種受力數(shù)據(jù)，通過剛性模擬表面風(fēng)壓積分測量處理得到的數(shù)據(jù)，最后使用高頻動(dòng)態(tài)天平測出風(fēng)力和氣流，作為輸出結(jié)果顯示出來[6]。

圖1 典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力的確定

1.1 氣動(dòng)彈性響應(yīng)反演

使用單自由度氣動(dòng)彈性模型測試橫風(fēng)向位移，分析超高層建筑的動(dòng)力特性參數(shù)，氣動(dòng)彈性響應(yīng)反演法可以不考慮超高層建筑的氣動(dòng)反饋?zhàn)饔谩?/p>

高層建筑由于形狀不同所以受到的氣流也不同，圓形、方形、凹角形的截面會(huì)根據(jù)高度不同受到不同的氣動(dòng)彈性。設(shè)定高層建筑物的基礎(chǔ)狀態(tài)與高度成正比，使用彈力支撐剛性模型，是模型維持在自由度狀態(tài)下。應(yīng)變平衡系統(tǒng)的頂部在受到橫風(fēng)向氣流和順風(fēng)向氣流時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的位移響應(yīng)譜，在動(dòng)力參數(shù)的影響下擴(kuò)展成風(fēng)向氣動(dòng)力譜，根據(jù)氣動(dòng)力譜可以研究頂部受到的風(fēng)力[7]。高空中的橫風(fēng)向氣動(dòng)力可以分解成兩種：外加氣動(dòng)力、氣動(dòng)阻尼力，隨著風(fēng)速的不同氣動(dòng)阻尼力的振幅不同，從而帶來超高層建筑結(jié)構(gòu)的共振[8]。超高層建筑受到的橫向氣流和順向氣流如下圖2所示：

圖2中f1、f2、f3、f4分別代表四棟不同的建筑物，x軸代表的是橫向氣流，y軸代表的是順向氣流，Q1、Q2、Q3、Q4分別表示不同建筑物受到的風(fēng)力。觀察圖2可知，當(dāng)建筑物與順向氣流維持的位置一致時(shí)，Q1和Q4對氣流產(chǎn)生主要影響，當(dāng)建筑物與橫向氣流維持的位置一致時(shí)，Q2和Q3對氣流產(chǎn)生主要影響[9]。氣動(dòng)力譜分析法多是針對統(tǒng)一風(fēng)速下的剛度建筑，對于不統(tǒng)一風(fēng)速下的超高層建筑來說，該方法產(chǎn)生的誤差比較大，取得的結(jié)果精度不足[10]。

1.2 剛性模型表面風(fēng)壓積分測量

在得到氣動(dòng)彈性后，對剛性模型表面風(fēng)壓進(jìn)行分析，使用外加氣動(dòng)力和氣動(dòng)阻尼力計(jì)算估計(jì)出結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載以及風(fēng)力振動(dòng)情況。剛性模型表面的氣動(dòng)阻尼力大小與建筑物的結(jié)構(gòu)形狀、運(yùn)動(dòng)幅度、所受風(fēng)力和風(fēng)場特性等多種因素有關(guān)[11]。一般而言，超高層建筑都是盾體結(jié)構(gòu)，對雷諾數(shù)的感應(yīng)能力很差，氣動(dòng)力譜既受結(jié)構(gòu)外形影響，又受風(fēng)場環(huán)境影響，通過對空間的劃分了解建筑物在每個(gè)角度受到的風(fēng)力[12]。

超高層建筑表面受到的風(fēng)力與風(fēng)壓無關(guān)，但是由于理論和實(shí)際值存在假定帶，所以很容易產(chǎn)生誤差。若想減少這一誤差，應(yīng)盡可能多地加大測點(diǎn)數(shù)。在測量典型截面超高層建筑時(shí)很容易遇到測壓管道幅度和相位失真以及測壓通道有限這兩個(gè)問題[13]。解決方案如下表1所示：

表1 超高層建筑截面測壓過程遇到的問題與方案

根據(jù)表1的解決策略計(jì)算出高層建筑截面受到的氣壓，得到高階廣義氣動(dòng)力譜后，根據(jù)顯示數(shù)值驗(yàn)證橫風(fēng)向氣動(dòng)性能。上述方式在解決時(shí)剛性模型表面風(fēng)壓積分測量是一個(gè)相對復(fù)雜的過程，需要尋找大量測壓點(diǎn)與各個(gè)管道連接，而超高層建筑表面通常比較復(fù)雜，所以在檢測過程會(huì)劃分成多個(gè)小區(qū)域測量[14]。

1.3 高頻動(dòng)態(tài)天平測力

高頻動(dòng)態(tài)天平測力是一個(gè)矯正過程，利用天平的固有頻率計(jì)算出中高層建筑受到的橫風(fēng)向氣動(dòng)力。橫風(fēng)向的響應(yīng)速度和風(fēng)速成正比，因此利用高頻動(dòng)態(tài)天平冊立得到的結(jié)果準(zhǔn)確率很高[15]。由于橫風(fēng)向氣動(dòng)力受到的平均速度難以確定，而且測量點(diǎn)具有離散型，所以必須要進(jìn)行4-6次的測量，這樣才能確保得到的數(shù)值的準(zhǔn)確性。高頻動(dòng)態(tài)天平是上世紀(jì)70年代發(fā)展而成，在測量時(shí)值考慮強(qiáng)迫振動(dòng)作用，不需要考慮阻尼之間的關(guān)系，在鎖定截面面積后，將截面分為正方形、矩形和三角形三種形式，記錄每個(gè)形式的脈動(dòng)風(fēng)荷載。建筑物所受的風(fēng)向氣動(dòng)性能與所處的環(huán)境位置也有關(guān)，即高層建筑是處于海岸地貌、鄉(xiāng)村地貌還是市區(qū)地貌對于測力結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生不同的影響。橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的峰值反應(yīng)所受風(fēng)力，如果峰值增高，則表示受到的風(fēng)力增加；如果峰值降低，則表示受到的風(fēng)力減少。

2 典型截面超高層建筑橫風(fēng)向阻尼識(shí)別

在確定典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力后，對典型截面超高層建筑橫風(fēng)向阻尼進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折算風(fēng)速超過6m/s時(shí)，使用氣動(dòng)力譜得到的響應(yīng)結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫風(fēng)向負(fù)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，這種誤差很容易造成建筑設(shè)計(jì)上的計(jì)算錯(cuò)誤，甚至?xí)纬晌ｋU(xiǎn)建筑物。氣動(dòng)阻尼力隨建筑物高度的增加而逐漸錐度化，如圖3所示：

圖2 典型截面超高層建筑受到的氣流

圖3 氣動(dòng)阻尼力的錐度化變化過程

對圖3進(jìn)行具體解釋如下：由于在不同高度下，建筑物受到的風(fēng)荷載力不同，所以氣動(dòng)阻尼力也不同，會(huì)隨著階梯收縮而收縮。超高層建筑中存在多個(gè)切角，如果切角上受到的氣動(dòng)阻尼力與橫風(fēng)向力不同，則代表截面建筑高層受多個(gè)氣壓影響。立面階梯很容易與方形截面生沖突，形成漩渦脫落，所以分析氣動(dòng)阻尼力氣動(dòng)阻尼力的錐度化變化過程可以更好地識(shí)別橫風(fēng)向氣動(dòng)性能。

計(jì)算氣動(dòng)阻尼時(shí)需要將剛性模型和氣動(dòng)彈性模型放到一起做統(tǒng)一對比，建立出一個(gè)模擬風(fēng)場，在所建立的模擬風(fēng)場中分離氣動(dòng)阻尼數(shù)值，借助系數(shù)參數(shù)識(shí)別出氣動(dòng)阻尼的輸出信息值。系數(shù)參數(shù)識(shí)別是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的方法，在高密度的系數(shù)下計(jì)算出各個(gè)參數(shù)，根據(jù)模擬狀態(tài)分析分辨率，如果分辨率降低，則代表超高層截面的風(fēng)向氣動(dòng)性能計(jì)算精度降低。

3 典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載的計(jì)算

在不同模型下荷載因子具備的荷載力不同，剛性模型斷面形式有如下5種：

圖4 剛性模型斷面形式

圖4中的剛性模型皆為矩形，高度都為300m，在同等壓力下測量每個(gè)模型的橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載，模型1的測量點(diǎn)共有150個(gè)，模型2的測量點(diǎn)有200個(gè)，模型3的測量點(diǎn)有250個(gè)。以此類推，在不同的截面面積下荷載因子會(huì)產(chǎn)生不同的荷載力，所以受到的橫風(fēng)向氣動(dòng)力不同，產(chǎn)生的氣動(dòng)性能也不同。

超高層建筑的橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載是通過平均風(fēng)和紊流導(dǎo)致的，計(jì)算時(shí)可以設(shè)置多個(gè)荷載因子，根據(jù)每個(gè)荷載因子在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的風(fēng)荷載來判斷氣動(dòng)荷載，假定風(fēng)場屬于B類和D類，兩種風(fēng)場的理論值和實(shí)際值完全吻合。在這兩類風(fēng)場中，典型截面超高層建筑受到的橫風(fēng)向紊流度和順風(fēng)向紊流度不同，橫風(fēng)向紊流度是順風(fēng)向紊流度的70%，而順風(fēng)向紊流度能夠與氣動(dòng)性能譜較好地融合。橫向氣流紊流度與建筑物的實(shí)際高度滿足如下關(guān)系：

Gray(rgb(x,y))=(0.1R+0.4G+0.5B)(x,y)

(1)

公式(1)中，R代表建筑物在橫向的風(fēng)速，G表示在高度風(fēng)速的平均值，B代表豎向風(fēng)速的平均指數(shù)，x代表典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力值，y代表順風(fēng)向氣動(dòng)力值。通過上述公式計(jì)算出典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載即Gray。

超高層建筑的截面有多種多樣，鑒于研究的復(fù)雜性，只能選取典型截面的超高層建筑進(jìn)行分析。典型截面的橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載因子與普通截面的荷載因子相同，換言之，所有普通截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能都是在典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能的延伸，通過研究超高層建筑典型截面的橫風(fēng)向氣動(dòng)性能可以分析所有類型超高層進(jìn)駐橫風(fēng)向氣動(dòng)性能。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測對典型截面超高層氣動(dòng)性能的研究效果，與傳統(tǒng)研究方法進(jìn)行了對比，針對矩形、正方形和三角形三種截面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下表1：

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對正方形、矩形和三角形三種典型截面的高層建筑進(jìn)行橫風(fēng)向氣動(dòng)性能研究，分別記錄在不同截面下傳統(tǒng)研究手段和所提方法對氣動(dòng)性能的研究效果，并與實(shí)際效果進(jìn)行對比。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

(1)正方形截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能研究對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖5，在第一次試驗(yàn)時(shí)，超高層建筑正方形截面的實(shí)際氣動(dòng)性能值為50，所提方法得到的氣動(dòng)性能值48，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值80；在第三次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為22，所提方法得到的氣動(dòng)性能值19，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值68；在第五次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為20，所提方法得到的氣動(dòng)性能值20，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值50。

圖5 正方形截面高層建筑氣動(dòng)性能研究

(2)矩形截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能研究對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對圖6進(jìn)行分析，在第一次試驗(yàn)時(shí)，超高層建筑矩形形截面的實(shí)際氣動(dòng)性能值為92，所提方法得到的氣動(dòng)性能值98，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值58；在第三次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為52，所提方法得到的氣動(dòng)性能值70，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值60；在第五次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為69，所提方法得到的氣動(dòng)性能值71，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值48。

圖6 矩形截面高層建筑氣動(dòng)性能研究

(3)三角形截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能研究對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，在第一次試驗(yàn)時(shí)，超高層建筑正三角形截面的實(shí)際氣動(dòng)性能值為58，所提方法得到的氣動(dòng)性能值51，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值32；在第三次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為52，所提方法得到的氣動(dòng)性能值48，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值31；在第五次試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際氣動(dòng)性能值為54，所提方法得到的氣動(dòng)性能值54，傳統(tǒng)的研究方法得到的氣動(dòng)性能值28。

圖7 三角形截面高層建筑氣動(dòng)性能研究

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：超高層建筑受到的橫風(fēng)向性能會(huì)隨著建筑外形的改變而發(fā)生變化。目前研究的高層建筑物主要是針對簡單形體的，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的正多邊形，但是在實(shí)際工作中，建筑物的橫截面往往比較復(fù)雜，而且會(huì)隨著高度的增加而不斷收縮，當(dāng)達(dá)到一定高度后，橫截面要進(jìn)行切角處理、穿洞處理等，這樣導(dǎo)致截面形狀更加復(fù)雜。復(fù)雜的外形會(huì)使建筑物的尾流激勵(lì)強(qiáng)度增加，空間相關(guān)性發(fā)生改變。高層建筑物如果缺少深入徹底的研究，很容易出現(xiàn)橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜錯(cuò)誤的狀況。所以在研究氣動(dòng)阻尼時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。如：折算風(fēng)速、紊流速度、建筑的高度、寬度和長度等，這對于剛性模型和氣動(dòng)阻尼的要求都很高。系統(tǒng)識(shí)別是解決上述問題的有效方法，在頻域分析中得到多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況分析氣動(dòng)性能。對于不同的響應(yīng)，荷載能力不同，氣動(dòng)力大小與分布也不同，需要結(jié)合具體內(nèi)容具體分析。

傳統(tǒng)的氣動(dòng)性能研究方法缺少成熟度，在測壓檢測等方面花費(fèi)的精力較少，從而導(dǎo)致理論值和實(shí)際值中間有很大的誤差。所提方法針對多種典型截面超高層建筑的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，不僅能夠有效提高準(zhǔn)確率，同時(shí)也能夠降低重現(xiàn)期峰值，確保建筑物的質(zhì)量。雖然傳統(tǒng)氣動(dòng)性能研究方法在某些時(shí)刻與實(shí)際值較為貼切，但是就整體而言，所提的氣動(dòng)性能理論與實(shí)際值的相似度更高，對于建筑高層建筑的幫助更大。

5 結(jié) 語

針對上述問題對典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)性能進(jìn)行深入的研究，通過分析超高層橫截面受到的氣流判斷建筑氣動(dòng)性能，建立多個(gè)剛性模型，對每個(gè)剛性模型進(jìn)行具體的分析，給出測量點(diǎn)，根據(jù)測量點(diǎn)判斷橫風(fēng)向阻尼，最后計(jì)算了典型截面超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)荷載。所提方法屬于理論研究，所提方法對于超高層建筑有積極的促進(jìn)作用和一定的指導(dǎo)意義，但還缺少實(shí)際檢測，需要在實(shí)踐中落實(shí)研究的可行性。